CCD微變形監(jiān)測(cè)技術(shù)在邊坡遠(yuǎn)程監(jiān)控中的應(yīng)用

李曉知

(核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610000)

邊坡巖土結(jié)構(gòu)受自然因素和各種荷載作用的影響，從邊坡巖土體結(jié)構(gòu)地質(zhì)勘察到設(shè)計(jì)施工均需要考慮邊坡內(nèi)部土體結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)及復(fù)雜性特征。為了反映邊坡巖土體實(shí)際狀態(tài)及真實(shí)的力學(xué)效應(yīng)，需通過(guò)多種技術(shù)方法集成進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。單監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)字化與自動(dòng)化技術(shù)性能不強(qiáng)，穩(wěn)定性差，監(jiān)測(cè)結(jié)果精度不高。因此，本文在邊坡遠(yuǎn)程監(jiān)控中引入CCD微變形監(jiān)測(cè)技術(shù)。

1 CCD微變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及特點(diǎn)

隨著高速公路工程建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，高邊坡位移監(jiān)測(cè)在邊坡巖土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與安全性評(píng)價(jià)中的作用越來(lái)越突出。與傳統(tǒng)工程監(jiān)測(cè)設(shè)備、技術(shù)相比，新型監(jiān)測(cè)儀器的數(shù)字化、自動(dòng)化優(yōu)勢(shì)更為明顯。目前，業(yè)內(nèi)公路工程采用的高邊坡位移監(jiān)測(cè)設(shè)備有測(cè)斜儀、GPS組網(wǎng)設(shè)備及全站儀等。這些技術(shù)和設(shè)施在檢測(cè)時(shí)效性、成本及精度方面均具有一定優(yōu)勢(shì)，但需要遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)，耗費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力。

而基于CCD微變形監(jiān)測(cè)儀可獲取邊坡穩(wěn)定性信息，通過(guò)光電信號(hào)的相互轉(zhuǎn)化，利用CCD微變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的微型圖像傳感器獲取并接收光學(xué)信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和邊坡監(jiān)測(cè)微型圖像，借助遠(yuǎn)程無(wú)線收發(fā)控制模塊，系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)高邊坡巖土工程無(wú)線化與數(shù)字化監(jiān)測(cè)，其不僅成本更低，且監(jiān)測(cè)精度更高，最大量程可達(dá)1 000 m。基于遠(yuǎn)程無(wú)線信號(hào)操控，更適應(yīng)于高速公路工程等高邊坡長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

2 CCD微變形監(jiān)測(cè)技術(shù)及原理

2.1 CCD微變形監(jiān)測(cè)信息采集

在監(jiān)測(cè)信息采集中，需基于CCD微變形監(jiān)測(cè)電荷耦合器件，實(shí)現(xiàn)光學(xué)信號(hào)與數(shù)字信號(hào)遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)換和微型圖像傳感。CCD微變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)兩個(gè)基本模塊組成，其中CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)又包括CCD光電標(biāo)靶和CCD主機(jī)兩部分。

在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，公路工程巖土邊坡穩(wěn)定性信息首先經(jīng)信息采集模塊固定至坡面上的光電標(biāo)靶，由此可使系統(tǒng)主機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)信息感知，獲取公路工程邊坡位移信息。CCD是由光敏單元、輸入結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)構(gòu)等組成的一體化的光電轉(zhuǎn)換器件，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，主要以電荷信號(hào)實(shí)現(xiàn)信息感知。CCD數(shù)據(jù)采集原理關(guān)系表達(dá)式如下：

Q=ηqΔN0Tc

(1)

式中：Q為光電荷；q為電子電荷量；η為量子效率；Tc為光照時(shí)間；ΔN0為光子流速率。

根據(jù)以上原理，CCD微變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可通過(guò)光敏單元接收到的由標(biāo)靶所發(fā)出的電荷大小信息，來(lái)對(duì)入射光源的位置變化實(shí)際情況進(jìn)行判斷，然后通過(guò)與設(shè)定好的初始狀態(tài)進(jìn)行比較，據(jù)此確定邊坡遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)際位移參數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸中，需利用CCD傳感器將采集的邊坡監(jiān)測(cè)信息現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)系統(tǒng)控制命令借助完整的CDMA模塊或GPRS模塊，經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程回傳至系統(tǒng)服務(wù)器。本系統(tǒng)基于“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的信息傳輸模式，可實(shí)現(xiàn)與GPRS模塊、光電標(biāo)靶及系統(tǒng)主機(jī)連接，由此采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和相關(guān)數(shù)據(jù)指令發(fā)送。

CCD微變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分是服務(wù)器，其主要負(fù)責(zé)相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接收處理與命令傳送。該模塊借助專門的操作軟件，利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理。

GPRS模塊是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸部分，其一方面連接無(wú)線主站，實(shí)現(xiàn)局部監(jiān)測(cè)信號(hào)的傳輸；另一方面，通過(guò)服務(wù)器的IP地址、端口號(hào)寫入GPRS模塊，使系統(tǒng)相關(guān)監(jiān)測(cè)模塊通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)相連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換。其還借助數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)采集模塊與系統(tǒng)主站連接，實(shí)現(xiàn)各工作儀器間的命令發(fā)送及數(shù)據(jù)采集和中轉(zhuǎn)。光電標(biāo)靶和CCD主機(jī)均連接數(shù)傳模塊從站，從站同時(shí)負(fù)責(zé)主機(jī)和光電標(biāo)靶數(shù)據(jù)的接收及開(kāi)關(guān)控制，它是整套CCD微變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體工作部分。

3 CCD微變形監(jiān)測(cè)技術(shù)在邊坡工程遠(yuǎn)程監(jiān)控中的應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程案例概述

本工程滑坡體前緣出口與后緣分別位于公路軸線左側(cè)120 m處及右側(cè)55 m范圍處，投影面積36 000 m2?；聟^(qū)原始地貌前緣呈圓弧形突出，后陡前緩。據(jù)地質(zhì)勘查資料顯示，滑坡在近期主滑方向大致為N69°～78°E，滑體厚5.5 m，滑動(dòng)帶分別由節(jié)理密集帶、構(gòu)造破碎帶及強(qiáng)弱風(fēng)化巖接觸薄弱帶組成，原始滑坡體總方量約60×104m3。

3.2 CCD微變形監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用分析

(1)監(jiān)測(cè)目的。為了解該工程邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)，前期采用GPS設(shè)備及全站儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但人工作業(yè)量大，效率不高，無(wú)法準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù)。為全面掌握工程邊坡穩(wěn)定性情況，在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，采用CCD微變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制，一方面能較為準(zhǔn)確地反映工程邊坡原始狀態(tài)；另一方面盡量避免受邊坡施工影響與干擾。

(2)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置。在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，在工程邊坡中部4～6三級(jí)臺(tái)階中，分別安放CCD微變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并自上而下形成一個(gè)監(jiān)測(cè)剖面。同時(shí)，在GPS測(cè)點(diǎn)周圍及已安放全站儀測(cè)點(diǎn)的區(qū)域布置CCD測(cè)點(diǎn)，由此展開(kāi)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。CCD遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖1。

圖1 CCD測(cè)點(diǎn)布置圖示

(3)微變形監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析。圖2為基于CCD微變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在2018年9月1日～9月22日期間監(jiān)測(cè)得到高速公路邊坡工程遠(yuǎn)程監(jiān)控時(shí)間-位移曲線。曲線波動(dòng)起伏變化明顯，經(jīng)本系統(tǒng)測(cè)量所得位移均與坡面方向相垂直。

圖2 測(cè)點(diǎn)位移與時(shí)間的變化關(guān)系

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，監(jiān)測(cè)初期，經(jīng)CCD微變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)所得測(cè)點(diǎn)的初始值為負(fù)值，即監(jiān)測(cè)初期該高速公路工程邊坡就出現(xiàn)向下位移現(xiàn)象。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)CCD微變形監(jiān)測(cè)儀器安裝標(biāo)定“0”點(diǎn)后，下級(jí)臺(tái)階施工振動(dòng)對(duì)其固定的光電標(biāo)靶形成了干擾作用，由此導(dǎo)致系統(tǒng)自監(jiān)測(cè)初期就顯示測(cè)點(diǎn)下移。在時(shí)間-位移曲線中，該移動(dòng)主要表現(xiàn)為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)小幅波動(dòng)，其中監(jiān)測(cè)結(jié)果最大位移量達(dá)-7.82 mm，最小位移量達(dá)2.59 mm，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)最大與最小位移量相差約5.23 mm。

(4)微變形監(jiān)測(cè)干擾影響控制。為排除外界干擾因素影響，在施工完成后，再次采用同樣的方法與監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)原理，對(duì)高速公路邊坡工程進(jìn)行CCD微變形遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。結(jié)果顯示，遠(yuǎn)程測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果趨于平穩(wěn)，時(shí)間-位移曲線波動(dòng)幅度大大減小，呈一條趨于平緩的直線。由此說(shuō)明，本系統(tǒng)所量測(cè)的位移上、下波動(dòng)幅度較小，表明此高速公路工程邊坡已接近于基本穩(wěn)定狀態(tài)，CCD微變形遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀器受外界環(huán)境干擾很小。

3.3 CCD微變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

為對(duì)比傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法與CCD微變形監(jiān)測(cè)技術(shù)在邊坡遠(yuǎn)程監(jiān)控中的應(yīng)用效果，同時(shí)對(duì)GPS測(cè)量全站儀監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比。據(jù)測(cè)點(diǎn)“位移-時(shí)間曲線”示意圖反映，GPS測(cè)點(diǎn)及全站儀測(cè)點(diǎn)、CCD測(cè)點(diǎn)處于同一水平面中，左、右相鄰距離最大不大于5 m，且監(jiān)測(cè)對(duì)比結(jié)果顯示，在高速公路工程邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)前提下，采用CCD微變形監(jiān)測(cè)技術(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控所得結(jié)果更為穩(wěn)定。而采用傳統(tǒng)GPS測(cè)量及全站儀監(jiān)測(cè)方法所得數(shù)據(jù)結(jié)果在“位移-時(shí)間曲線”圖中波動(dòng)變化幅度較大。

經(jīng)分析，兩者監(jiān)測(cè)結(jié)果差異產(chǎn)生的主要原因在于采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)，GPS設(shè)備及全站儀系統(tǒng)本身存在一定的誤差，及由于人工手動(dòng)反復(fù)操作時(shí)引起的人為誤差。而CCD微變形監(jiān)測(cè)技術(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控全部由數(shù)字化與自動(dòng)化系統(tǒng)模塊完成，數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)采集與傳輸都實(shí)現(xiàn)了集成化與一體化。除了外界環(huán)境細(xì)微干擾外，受設(shè)備及人為因素干擾影響很小，所以，CCD監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度要小于全站儀和GPS，監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性與數(shù)據(jù)精度方面均要優(yōu)于全站儀和GPS人工定點(diǎn)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比也表明，CCD微變形監(jiān)測(cè)技術(shù)在高速公路邊坡工程遠(yuǎn)程監(jiān)控中具有較好的可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取是判斷邊坡穩(wěn)定性的重要依據(jù)，本文通過(guò)將CCD微變形監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于某高速公路工程進(jìn)行邊坡工程遠(yuǎn)程監(jiān)控。結(jié)果表明，CCD微變形監(jiān)測(cè)技術(shù)獲取的邊坡穩(wěn)定性參數(shù)更接近實(shí)際，其適用于長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離監(jiān)控測(cè)量，能夠避免人為因素的影響和干擾。